[論文レビュー] The Decay of Pure Quantum Turbulence in Superfluid 3He-B

D. I. Bradley, D. O. Clubb+7 more|ArXiv.org|Jun 5, 2007

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、超低温度における純粋な量子乱流の崩壊を、古典的粘性散逸が存在しない超流動 3He-B で測定した。通常の流体や粘性が存在しないにもかかわらず、乱流はコルモゴロフに類似したエネルギー級進を示し、散逸が運動粘性係数ではなく量子循環単位（κ）によって支配されていることを示しており、高温におけるヘリウム4の超流動体で観察された崩壊ダイナミクスと類似している。

ABSTRACT

We describe measurements of the decay of pure superfluid turbulence in superfluid 3He-B, in the low temperature regime where the normal fluid density is negligible. We follow the decay of the turbulence generated by a vibrating grid as detected by vibrating wire resonators. Despite the absence of any classical normal fluid dissipation processes, the decay is consistent with turbulence having the classical Kolmogorov energy spectrum and is remarkably similar to that measured in superfluid 4He at relatively high temperatures. Further, our results strongly suggest that the decay is governed by the superfluid circulation quantum rather than kinematic viscosity.

研究の動機と目的

• 通常の流体や粘性散逸が存在しない状況における純粋な超流動乱流の崩壊メカニズムを調査すること。
• 純粋な超流動体における乱流が古典的乱流に類似しているか、それとも量子的散逸メカニズムに従うかを特定すること。
• 運動粘性係数ではなく、量子循環量子（κ）がエネルギー散逸を支配しているかどうかを検証すること。
• 古典的散逸経路が存在しない系において、コルモゴロフエネルギー級進がどのように出現するかを調査すること。
• 非常に異なる超流動メカニズムと温度領域を持つ 3He-B とヘリウム4の超流動体における崩壊ダイナミクスを比較すること。

提案手法

• 0.3Tc未満の温度で、通常の流体成分が無視できる状態において、振動するグリッドを用いて超流動 3He-B に乱流を生成した。
• 超流動の影響による準粒子散乱に敏感な振動ワイヤ共振器を用いて、崩壊をモニタリングした。
• 時間経過に伴うフォイルトランゲルの線密度を追跡し、エネルギー級進ダイナミクスを推定した。
• 実験データを古典的コルモゴロフ崩壊モデルと、κに基づくヴィネンの量子的散逸モデルと比較した。
• 理論的モデルを用いて、フォイル拡散や不均一な崩壊の寄与を除外した。
• 理論的スケーリングにおいて、d = 1.5 mm と κ を用い、He-II データと比較した。ζ ≈ 0.2 を仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的粘性散逸が存在しない純粋な超流動体において、乱流が崩壊しうるか？
• RQ2 3He-B における量子乱流の崩壊は、コルモゴロフエネルギー級進と整合的か？
• RQ3 量子循環単位（κ）が運動粘性係数ではなく、散逸率を支配しているか？
• RQ4 相互摩擦や通常の流体が存在しない状況で、観測された崩壊の背後にある微視的メカニズムは何か？
• RQ5 純粋な超流動体において、フォイルトランゲルがコルモゴロフ級進に必要なスケール範囲をどのように獲得するのか？

主な発見

• 超流動 3He-B における乱流の崩壊は、粘性散逸が存在しないにもかかわらず、古典的コルモゴロフエネルギー級進と整合的である。
• 高温におけるヘリウム4の超流動体で観察されたダイナミクスと類似しており、異なる超流動体間で普遍的な振る舞いを示している。
• 崩壊率は、運動粘性係数ではなく、量子的散逸メカニズム（κ に基づく）によって最もよく説明される。
• ζ ≈ 0.2 と d = 1.5 mm を用いたヴィネンの式に基づく理論的モデリングが、遅刻期の崩壊行動を正確に予測し、実験データと一致した。
• 低グリッド速度では、崩壊が t⁻¹ に近づくことが示され、直接的なフォイル線損失（L ∝ t⁻¹）が支配的になる可能性のある領域への遷移が示唆され、ヴィネンの κ に基づくモデルと整合的である。
• フォイル不均一性に起因する拡散効果は無視できる大きさであり、予測される時定数は約 300 s であり、観測された崩壊時間よりもはるかに長い。